Realistic visualization of accessories within interactive simulation systems for garment prototyping

In virtual garment prototyping, designers create a garment design by using Computer Aided Design (CAD). In difference to traditional CAD the word "aided" in this case refers to the computer replicating real world behavior of garments. This allows the designer to interact naturally with his design. The designer has a wide range of expressions within his work. This is done by defining details on a garment which are not limited to the type of cloth used. The way how cloth patterns are sewn together and the style and usage of details of the cloth's surface, like appliqués, have a strong impact on the visual appearance of a garment to a large degree. Therefore, virtual and real garments usually have a lot of such surface details. Interactive virtual garment prototyping itself is an interdisciplinary field. Several problems have to be solved to create an efficiently usable real-time virtual prototyping system for garment manufacturers. Such a system can be roughly separated into three sub-components. The first component deals with acquisition of material and other data needed to let a simulation mimic plausible real world behavior of the garment. The second component is the garment simulation process itself. Finally, the third component is centered on the visualization of the simulation results. Therefore, the overall process spans several scientific areas which have to take into account the needs of each other in order to get an overall interactive system. In my work I especially target the third section, which deals with the visualization. On the scientific side, the developments in the last years have shown great improvements on both speed and reliability of simulation and rendering approaches suitable for the virtual prototyping of garments. However, with the currently existing approaches there are still many problems to be solved, especially if interactive simulation and visualization need to work together and many object and surface details come into play. This is the case when using a virtual prototyping in a productive environment. The currently available approaches try to handle most of the surface details as part of the simulation. This generates a lot of data early in the pipeline which needs to be transferred and processed, requiring a lot of processing time and easily stalls the pipeline defined by the simulation and visualization system. Additionally, real world garment examples are already complicated in their cloth arrangement alone. This requires additional computational power. Therefore, the interactive garment simulation tends to lose its capability to allow interactive handling of the garment. In my work I present a solution, which solves this problem by moving the handling of design details from the simulation stage entirely to a completely GPU based rendering stage. This way, the behavior of the garment and its visual appearance are separated. Therefore, the simulation part can fully concentrate on simulating the fabric behavior, while the visualization handles the placing of surface details lighting, materials and self-shadowing. Thus, a much higher degree of surface complexity can be achieved within an interactive virtual prototyping system as can be done with the current existing approaches.

Beim Virtuellen Prototyping (VP) von Bekleidung erstellt ein Designer ein Kleidungsstück mittels Computer Aided Design (CAD). Im Unterschied zum herkömmlichen CAD steht das Wort "Aided" in diesem Fall für ein Replizieren des physischen Verhaltens des Kleidungsstücks. Hierdurch ist es dem Designer möglich ähnlich, wie mit einem physischen Prototyp zu interagieren. Im Kleidungsdesign hat der Designer eine breite Palette von Ausdrucksformen für sein Werk, welche nicht auf die Form oder Auswahl von Stoffen beschränkt ist. Dies sind z.B.: Die Art und Weise, wie Stoffmuster gefügt, Verzierungen angebracht und Oberflächenobjekte platziert werden. Diese Applikationen haben einen starken Einfluss auf das Aussehen eines Kleidungsstücks. Reale Kleidungsstücke weisen in der Regel viele dieser Merkmale auf. Es ist daher für den Designer wichtig, dass diese auch am virtuellen Prototypen vorhanden sind. Virtuelles Prototyping von Bekleidung selbst umfasst ein interdisziplinäres Gebiet. Mehrere Probleme müssen gelöst werden, um ein effizientes nutzbares Virtual Prototyping- System für Bekleidungshersteller zu schaffen. Ein solches System kann in drei Abschnitte unterteilt werden: Der Erste befasst sich mit der Übernahme des Materials und anderer Parameter, die für die Simulation eines plausiblen, realistischen Verhaltens notwendig sind. Der Zweite ist auf das Simulationsverfahren selbst zentriert. Der dritte und letzte Abschnitt befasst sich mit der Darstellung der Simulationsergebnisse. Um effizient zu sein, müssen die hierbei überspannten wissenschaftlichen Bereiche auf die Bedürfnisse der jeweils anderen Techniken Rücksicht nehmen, um ein interaktives Gesamtsystem zu erhalten. Meine Arbeit ist hier speziell in der dritten Komponente verortet, mit dem Ziel der Simulationskomponente Arbeit abzunehmen. In wissenschaftlicher Hinsicht wurden in den letzen Jahren große Verbesserungen sowohl bei Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Simulation als auch bei den Rendering- Ansätzen erzielt, die für das Virtuelle Prototyping von Kleidungsstücken geeignet sind. Bei den derzeit existierenden Ansätzen bestehen jedoch noch viele Probleme, die gelöst werden müssen. Dies ist besonders der Fall, wenn interaktive Simulation und interaktive Visualisierung zusammenarbeiten müssen und eine hohe Komplexität durch Objektdetails gegeben ist. Dies ist oft der Fall im produktiv eingesetzten VP-System. Aktuelle Ansätze versuchen Oberflächenobjekte als Teil der physikalischen Stoffsimulation zu behandeln. Während dies theoretisch direktes Feedback innerhalb der Simulation ermöglicht, wird andererseits eine mitunter sehr große Datenmenge früh in die Pipeline eingespeist. Diese Datenmenge muss übertragen und verarbeitet werden. Dies kostet viel Verarbeitungszeit und kann leicht dazu führen, dass das System aus dem interaktiven Rahmen fällt. Zusätzlich sind reale Bekleidungen bereits so komplex, dass allein schon die Simulation der Stoffe den Simulator auslastet. In der vorliegenden Arbeit stelle ich eine Lösung vor, die dieses Problem entschärft, indem sie Oberflächendetails aus der Simulationsphase herauslöst, diese unabhängig in einem komplett auf der GPU laufenden Verfahren verarbeitet und während des Rendering Prozesses hinzufügt. Mein Ansatz erlaubt eine getrennte Verarbeitung des physikalischen Verhaltens des Kleidungsstücks (Schnitt) und des Oberflächenstylings. Nun kann sich der Simulationsprozess voll auf die Simulation des Stoffverhaltens konzentrieren, während die Visualisierung sich um Oberflächendetails, Beleuchtung, Materialien und Selbstabschattung kümmert. Des Weiteren stehen dem Visualiserungsprozess hierdurch semantische Informationen zur Verfügung, die eine Reduktion der Komplexität des Schattierungsproblems erlauben. Auf diese Weise kann ein viel höherer Grad an Oberflächenkomplexität in einem interaktiven virtuellen Prototypen-System erreicht werden, als es mit den gegenwärtigen bestehenden Ansätzen durchgeführt werden kann.